(57)【要約】【課題】回路面へのろう材の付着がなく、金属板とセラミックス基板とが確実に接合される絶縁回路基板の製造方法及び絶縁回路基板並びにパワーモジュール用基板を提供する。【解決手段】セラミックス基板６の表面に金属回路板７がろう付け接合されてなる絶縁回路基板の製造方法において、セラミックス基板６の表面にろう材１５を介して金属回路板７を積層し、これらを積層方向に加圧する際に、金属回路板７の周縁部の圧力を該周縁部より内側の中央部に比べて大きくする。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の表面に金属回路板がろう付け接合されてなる絶縁回路基板の製造方法において、
前記セラミックス基板の表面にろう材を介して前記金属回路板を積層し、これらを積層方向に加圧する際に、前記金属回路板の周縁部の圧力を該周縁部より内側の中央部に比べて大きくすることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【請求項２】
前記圧力を前記金属回路板の周縁部で２９４ｋＰａ以上９８１ｋＰａ未満とし、前記中央部で９８ｋＰａ以上２９４ｋＰａ未満とすることを特徴とする請求項１記載の絶縁回路基板の製造方法。
【請求項３】
前記周縁部は、前記金属回路板の周縁から２ｍｍまでの領域であることを特徴とする請求項１又は２記載の絶縁回路基板の製造方法。
【請求項４】
セラミックス基板の表面に金属回路板がろう付け接合されてなる絶縁回路基板において、
セラミックス基板と金属回路板とを接合してなるろう材痕跡層が金属回路板の中央部よりも周縁部で薄く形成されていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項５】
前記ろう材痕跡層の厚さは、前記金属回路板の周縁部で５μｍ未満であり、前記中央部で５μｍ以上２０μｍ未満であることを特徴とする請求項４記載の絶縁回路基板。
【請求項６】
前記周縁部は、前記金属回路板の周縁から２ｍｍまでの領域であることを特徴とする請求項４又は５記載の絶縁回路基板。
【請求項７】
請求項４から６のいずれか一項に記載の絶縁回路基板を用いたパワーモジュール用基板であって、
前記セラミックス基板の裏面に放熱用金属板を介して又は該放熱用金属板を介さずにヒートシンクが取り付けられていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁回路基板の製造方法及び絶縁回路基板に係り、特に、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板に用いて好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、このパワーモジュール用基板としては、例えば特許文献１に示されるように、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板上にアルミニウム板等の金属板をＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して接合させたものが用いられている。この金属板は、後工程のエッチング処理によって所望パターンの回路が形成されて回路層となる。そして、エッチング後は、この回路層の表面にはんだ材を介して電子部品（半導体チップ等のパワー素子）が搭載され、パワーモジュールとなる。
【０００３】
また、この金属板は、例えば特許文献２に示されるように、箔状のろう材をセラミックス基板と金属板との間に介在させて高温状態で積層方向に加圧することにより、溶融したろう材によってセラミックス基板に接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５６５０２号公報
【特許文献２】特開２００７−５３３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のようにセラミックス基板に金属板を接合した場合、特許文献２に示されるように、溶融したろう材がセラミックス基板および金属板の側面を経由して金属板の表面に付着し、この表面を変質させ、その後に固着される電子部品のボンディングワイヤの接着性が損なわれるという問題がある。このろう材が余剰となってはみ出すことを防ぐためには、箔状のろう材の厚さまたは面積を小さくして、ろう材の量を少なくすることが考えられる。
しかしながら、ろう材の量を少なくした場合には、金属板とセラミックス基板との間でろう材が不足する箇所が生じたり、またセラミックス基板の反りによって接合部分が剥離したりして、後工程で形成した回路層がはがれる等の問題が生じるおそれがある。また、金属板全面にろう材が付着せず、セラミックス基板に対して金属板を確実に接合できないおそれがある。さらに、接合が十分でない場合、温度変化を繰り返す熱サイクル条件下において剥離が生じてしまう場合もある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、回路面へのろう材の付着がなく、金属板とセラミックス基板とが確実に接合される絶縁回路基板の製造方法及び絶縁回路基板並びにパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の絶縁回路基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に金属回路板がろう付け接合されてなる絶縁回路基板の製造方法において、前記セラミックス基板の表面にろう材を介して前記金属回路板を積層し、これらを積層方向に加圧する際に、前記金属回路板の周縁部の圧力を該周縁部より内側の中央部に比べて大きくすることを特徴とする。
すなわち、ろう付け接合時の圧力について金属回路板の周縁部を中央部よりも大きくすることにより、ろう材が金属回路板の周縁部とセラミックス基板との間を通過する抵抗が大きくなり、このろう材のせき止め効果により、金属回路板の中央部からろう材が周縁部を経由して外部にはみ出すことが防止される。
【０００８】
本発明の絶縁回路基板の製造方法において、前記圧力を前記金属回路板の周縁部で２９４ｋＰａ以上９８１ｋＰａ未満とし、前記中央部で９８ｋＰａ以上２９４ｋＰａ未満とするとよい。
また、前記周縁部は、前記金属回路板の周縁から２ｍｍまでの領域であるのが好ましい。この場合、金属回路板の周縁部においては、強く加圧されてろう材が少なくなるため接合不十分となる傾向がある。そのため、加圧範囲を２ｍｍ以内とすることにより、万一の剥がれ発生時も２ｍｍ以上に進行させないようにすることができる。
【０００９】
本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の表面に金属回路板がろう付け接合されてなる絶縁回路基板において、セラミックス基板と金属回路板とを接合してなるろう材痕跡層が金属回路板の中央部よりも周縁部で薄く形成されていることを特徴とする。
すなわち、この絶縁回路基板では、周縁部の加圧力を高くした結果としてろう材痕跡層が薄く形成されるのであり、周縁部の溶融ろう材のせき止め効果により、この周縁部からはみ出すろう材が少なくなり、金属回路板表面の回路面へのろう材の付着を防止することができる。
ここでろう材痕跡層とは、セラミックス基板と金属回路板との接合界面から金属回路板側に入った位置に現れ、金属回路板の母材の結晶方位とは異なる方位の結晶粒が存在する層である。
【００１０】
本発明の絶縁回路基板において、前記ろう材痕跡層の厚さは、前記金属回路板の周縁部で５μｍ未満であり、前記中央部で５μｍ以上２０μｍ未満であるのが好ましい。
また、前記周縁部は、前記金属回路板の周縁から２ｍｍまでの領域であるのが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明は、これら絶縁回路基板を用いたパワーモジュール用基板であって、前記セラミックス基板の裏面に放熱用金属板を介して又は該放熱用金属板を介さずにヒートシンクが取り付けられていることを特徴とする。
このパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と金属回路板との間が強固に接合されているので、反対側のヒートシンクにより、熱サイクル環境の厳しい条件下で使用される場合でも、剥離の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、金属回路板の周縁からろう材がはみ出すことが防止されるので、回路面へのろう材の付着がなく、金属回路板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル環境の厳しい条件下で使用される場合でも、剥離の発生を防止することができ、信頼性の高い絶縁基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る絶縁基板を用いて製作されるパワーモジュールの全体構成例を示す縦断面図である。
【図２】図１における絶縁基板の金属回路板の周縁部付近を模式的に示した拡大断面図である。
【図３】本発明に係る製造方法に用いられる加圧装置の第１の例を示す縦断面図である。
【図４】加圧装置の第２の例を示す縦断面図である。
【図５】本実施形態の評価に関する説明のための図であり、（ａ）はろう材のシミ出し量を説明する断面図、（ｂ）が放熱用金属板にアルミニウム板を接合した断面図である。
【図６】加圧装置の第３の例を示す縦断面図である。
【図７】加圧装置の第４の例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの全体構成について示している。この図１に示されるパワーモジュール１は、絶縁回路基板２を有するパワーモジュール用基板３と、該パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４とから構成されている。
【００１５】
パワーモジュール用基板３は、電子部品４が搭載される絶縁回路基板２と、この絶縁回路基板２の裏面に接合されたヒートシンク５とから構成されている。絶縁回路基板２は、セラミックス基板６の表面に電子部品４を搭載するための金属回路板７が積層され、セラミックス基板６の裏面に放熱層用金属板８が積層され、この放熱層用金属板８にヒートシンク５が取り付けられる構成である。
この場合、セラミックス基板６は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを母材として矩形状に形成されている。金属回路板７は、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成され、プレス加工により回路パターンの外形に成形されている。放熱層用金属板８は、純度９９．０ｗｔ％以上の純アルミニウムによりセラミックス基板６より若干小さい矩形状に形成されている。
【００１６】
また、これらセラミックス基板６、金属回路板７、放熱層用金属板８の相互間はろう付けによって接合されており、そのろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等が使用される。ろう材の厚さとしては、８〜３０μｍが好ましい。ろう材の厚さが８μｍ未満の場合は、初期接合状態での未接合部が発生する場合がある。また、例えば−４０〜１０５℃の冷熱サイクル試験において剥がれが発生するおそれがあり、接合信頼性が低下する。一方、ろう材の厚さが３０μｍより厚い場合には、接合時の余剰ろう材がコブ状に回路端子に形成され、寸法不良のおそれがある。
【００１７】
これらセラミックス基板６と金属回路板７及び放熱層用金属板８との接合部には、これらの接合界面から金属回路板６側又は放熱層用金属板７側に入った位置に、図２に示すように、金属回路板６又は放熱層用金属板７の母材の結晶方位とは異なる方位の結晶粒が存在するろう材痕跡層１１が形成される。図２には、金属回路板７とセラミックス基板６との接合部を図示しているが、放熱層用金属板８とセラミックス基板６との接合部も同様である。このろう材痕跡層１１は、金属回路板７（又は放熱層用金属板８）とセラミックス基板６との接合界面にほぼ全面的に形成されるが、金属回路板７（又は放熱層用金属板８）の周縁部Ａが中央部Ｂよりも薄く形成されている。具体的には、その周縁部Ａは、金属回路板７（又は放熱層用金属板８）の周縁から２ｍｍまでの領域であり、ろう材痕跡層１１は、周縁部Ａで厚さｔ１が５μｍ未満とされ、中央部Ｂで厚さｔ２が５μｍ以上２０μｍ未満とされている。
この場合、母材の結晶方位と異なる方位の結晶粒が接合界面の少なくとも４０％以上の範囲で存在する場合にろう材痕跡層１１とする。
【００１８】
このろう材痕跡層１１の確認に際しては、電子後方散乱回折像（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋ  Ｓｃａｔｔｅｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｐａｔｔｅｒｎｓ）法（以下、ＥＢＳＰ法と称す）に基づき、接合界面付近の結晶方位を測定することにより、行うことができる。このＥＢＳＰ法は、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）にＥＢＳＰ検出器を接続し、収束電子ビームを試料表面に照射したときに発生する個々の結晶の回折像（ＥＢＳＰ）の方位を解析し、方位データと測定点の位置情報から材料の結晶方位を測定する方法であり、その測定結果は結晶方位マップ（ＩＰＦ（Ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｐｏｌｅ  Ｆｉｇｕｒｅ）Ｍａｐ）として示される。この結晶方位マップから、母材の結晶方位とは異なる方位の結晶粒が存在する領域（ろう材痕跡層）を確認することができる。
なお、金属回路板７の表面にはめっき被膜（図示略）が形成される。このめっき被膜の材料としてはニッケルが好適であり、無電解めっきによる場合はＮｉ−１〜１３ｗｔ％ＰやＮｉ−０．５ｗｔ％Ｂ等、電解めっきによる場合は純Ｎｉ等が用いられる。
【００１９】
そして、金属回路板７の上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によって電子部品４が接合される。図中符号１２がそのはんだ接合層を示す。なお、電子部品４と金属回路板７の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
一方、ヒートシンク５は、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路１３が形成されており、放熱層用金属板８との間はろう付け、はんだ付け、ボルト等によって接合される。
【００２０】
次に、このように構成されるパワーモジュール用基板３における絶縁回路基板２の製造方法について説明する。
まず、セラミックス基板６と金属回路板７及び放熱層用金属板８とをこれらの間にろう材１５を配置した状態で積層する（図３参照）。このろう材１５は、金属回路板７及び放熱層用金属板８をプレス加工によって打ち抜き成形する際に同時に成形されるものであり、金属回路板７及び放熱層用金属板８用の金属平板にろう材箔を貼付しておき、これら金属平板とろう材箔とを同時にプレス加工によって打ち抜くことにより、金属回路板７及び放熱層用金属板８の外形にろう材箔も打ち抜き成形される。
【００２１】
次に、これらセラミックス基板６と金属回路板７及び放熱層用金属板８との積層体を加圧装置２１によって加圧した状態とする。
この加圧装置２１は、積層体が載置されるベース２２と、このベース２２と平行な加圧板２３とが対向配置され、これらを対向方向に加圧する加圧手段（図示略）が設けられた構成とされている。また、ベース２２及び加圧板２３は、それぞれ２枚のカーボン板２４の間にシート部材２５，２６が介在した構成とされる。これらシート部材２５，２６は、例えばグラファイトシート等の弾性材により形成されており、加圧板２３に設けられるシート部材２５は金属回路板７の周縁に沿う環状に形成され、ベース２２に設けられるシート部材２６は放熱層用金属板８の周縁に沿う環状に形成される。これらシート部材２５，２６の幅は、このシート部材２５，２６を金属回路板７又は放熱層用金属板８の周縁に沿って配置したときに、これら金属回路板７又は放熱層用金属板８の周縁から内側に２ｍｍの領域を覆うことができる寸法とされている。
【００２２】
そして、これらシート部材２５，２６を金属回路板７又は放熱層用金属板８の周縁に相当する位置に配置して、ベース２２と加圧板２３との間で図３の矢印で示すようにセラミックス基板６、金属回路板７、放熱層用金属板８の積層体を加圧した状態とすると、金属回路板７及び放熱層用金属板８の周縁部には、シート部材２５，２６を介して大きな加圧力が作用し、シート部材２５，２６より内側の中央部ではカーボン板２４の弾性作用により緩和された加圧力が作用し、その結果、シート部材２５，２６を配置した周縁部では、単位面積当たりの加圧力がシート部材２５，２６を配置していない中央部よりも大きく設定される。具体的には、シート部材２５，２６が配置されている金属回路板７又は放熱層用金属板８の周縁から内側に２ｍｍの領域の圧力を２９４ｋＰａ以上９８１ｋＰａ未満とし、その領域より内側の中央部の圧力を９８ｋＰａ以上２９４ｋＰａ未満とする。その圧力調整は、カーボン板２４及びシート部材２５，２６の材質、弾性係数、厚さ等により行う。
そして、このように加圧した状態で、この加圧装置２１ごと、加熱炉（図示略）内に配置して、不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気又は真空雰囲気において、例えば６４０℃以上６５５℃以下の温度で１分以上６０分以下の時間加熱することにより、ろう材１５を溶融させてろう付けする。
【００２３】
このように金属回路板７及び放熱層用金属板８の周縁部の圧力をそれより内側の中央部よりも大きくしてろう付けすることにより、溶融したろう材が金属回路板７又は放熱層用金属板８の周縁部とセラミックス基板６との間を通過する抵抗が大きくなり、その結果、金属回路板７及び放熱層用金属板８の中央部からろう材が周縁部を経由して外部にはみ出すことが防止される。
【００２４】
したがって、このように製造された絶縁回路基板２は、セラミックス基板６と金属回路板７及び放熱層用金属板８との接合部からのろう材のはみ出しがなく、そのため、金属回路板７の表面にろう材が回り込んで表面の変質（いわゆるろうジミ）が発生することがなく、その上に搭載される電子部品４のボンディングワイヤを確実に接着することができ、接続信頼性が高められる。
【００２５】
一方、図４は、加圧装置の第２の例を示している。この加圧装置３１は、金属回路板７又は放熱層用金属板８の周縁部と、これらの内側の中央部とを別々に加圧するようにしたものである。すなわち、ベース３２及び加圧板３３とも、カーボン板により形成されるが、金属回路板７又は放熱層用金属板８の周縁部に当接する部分に環状の周縁部加圧部材３２Ａ，３３Ａが設けられ、その内側に、中央部加圧部材３２Ｂ，３３Ｂが配置されている。そして、両周縁部加圧部材３２Ａ，３３Ａを加圧する周縁部加圧手段（図示略）と、中央部加圧部材３２Ｂ，３３Ｂを加圧する中央部加圧手段（図示略）とがそれぞれ設けられている。
【００２６】
この加圧装置３１を使用して絶縁回路基板２のろう付けを行う場合、金属回路板７及び放熱層用金属板８の周縁部に周縁部加圧部材３２Ａ，３３Ａを当接し、これら周縁部加圧部材３２Ａ，３３Ａと中央部加圧部材３２Ｂ，３３Ｂとで異なる加圧手段によって異なる加圧力を作用させる。具体的な加圧力は図３の第１の例による場合と同様であり、金属回路板７又は放熱層用金属板８の周縁から内側に２ｍｍの領域の圧力を２９４ｋＰａ以上９８１ｋＰａ未満とし、その領域より内側の中央部の圧力を９８ｋＰａ以上２９４ｋＰａ未満とする。
この加圧装置３１においても、図３の加圧装置２１と同様に、金属回路板７及び放熱層用金属板８の周縁部の圧力をそれより内側の中央部よりも大きくすることができ、溶融したろう材が周縁部を経由してはみ出すことが防止される。
【００２７】
次に、本実施形態の製造方法を評価するため、上記の２種類の加圧装置２１，３１と、セラミックス基板６、金属回路板７、放熱層用金属板８の積層体を面方向に均等な圧力で加圧する従来の加圧装置とを使用して、ろう付けしたときの金属回路板７の表面へのろう材のシミ出し量を測定した。図５（ａ）はろう材Ｗが金属回路板７の表面に回り込んだ状態を示しており、金属回路板７の周縁からの距離Ｌ（最大部）をシミ出し量とする。また、図５（ｂ）に示すように、放熱用金属板８にヒートシンクとして厚さ５ｍｍのアルミニウム板３５（Ａ６０６３材）をろう付けにより接合したものも作成し、−４０℃から１０５℃に１０分間で上昇させ、１０５℃に１５分保持した後、１０５℃から−４０℃に１０分間で下降させ、−４０℃に１５分保持する温度履歴を１サイクルとした冷熱サイクルを１０００〜３０００サイクル付与し、超音波探傷にてセラミックス基板６と放熱層用金属板８との接合欠陥率を測定した。接合欠陥率は、超音波探傷にて円相当で１ｍｍφ以上接合されていない部位（非接合部とする）が認められた場合を接合欠陥とし、接合面全体に占める非接合部の面積比率を測定した。いずれもセラミックス基板６としては窒化アルミニウムを使用し、ろう材としてＡｌ−Ｓｉ系ろう材を使用して、真空雰囲気で６３５℃×１分の加熱によりろう付けした。
結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
2010165807.tif 000003
【００２９】
表１において、評価は、冷熱サイクル３０００回後の欠陥率が３５％以上となったものを×、２５％以上を△、１５％以上を○、１５％未満を◎とした。その他の欄のエッジ部変形とは、余剰ろう材によるコブが発生したことを示す。
また、本実施形態の装置を使用した場合でも、周縁部の圧力を中央部の圧力より大きくしないでろう付けしたものは比較例とした。
この表１からわかるように、本実施例の場合は、金属回路板の表面へのろう材のシミ出しは認められなかったのに対して、比較例の場合は、一部シミ出しが認められた。また、冷熱サイクルを付与した後の評価も、本実施例の場合は、冷熱サイクル３０００回後でも接合欠陥の発生は少ないが、比較例の場合は、接合条件によっては１０００回後から接合欠陥率の大きいものがあり、３０００回では欠陥率が大きく上昇している。
【００３０】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、加圧装置を図６又は図７に示す構造としてもよい。図６に示す加圧装置４１は、図３に示す加圧装置２１に対して金属回路板７又は放熱層用金属板８に当接するカーボン板２４を省略し、シート部材２５，２６によって直接金属回路板７又は放熱層用金属板８を加圧する構成とされる。この場合、金属回路板７及び放熱層用金属板８の中央部は、これらの周縁部に作用する加圧力が金属回路板７又は放熱層用金属板８を伝わることにより加圧され、これら金属回路板７又は放熱層用金属板８の弾性により、周縁部の圧力が中央部よりも大きくなる。また、図７に示す加圧装置５１は、ベース５２及び加圧板５３の対向面に、金属回路板７又は放熱層用金属板８の周縁部に当接する突出部５２ａ，５３ａが一体に突出して形成され、この突出部５２ａ，５３ａによって金属回路板７又は放熱層用金属板８の周縁部が加圧される構成である。この場合も、図６の場合と同様に、周縁部の圧力が中央部よりも大きくなる。
【００３１】
また、ヒートシンクを設ける場合、実施形態ではセラミックス基板に放熱層用金属板を介してヒートシンクを取り付けたが、放熱層用金属板を介さずに、セラミックス基板に直接ヒートシンクを取り付けてもよい。その場合も、ろう付け、はんだ付け、ボルト等によって固定される。
さらに、ろう材を金属回路板及び放熱層用金属板に貼付して一体に成形する例としたが、金属回路板又は放熱層用金属板とは別にろう材を成形して、これらを積層する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１  パワーモジュール
２  絶縁回路基板
３  パワーモジュール用基板
４  電子部品
５  ヒートシンク
６  セラミックス基板
７  金属回路板
８  放熱層用金属板
１１  ろう材痕跡層
１２  はんだ接合層
１３  流路
１５  ろう材
２１  加圧装置
２２  ベース
２３  加圧板
２５，２６  シート部材
４１  加圧装置
４２  ベース
４３  加圧板
５１  加圧装置
５２  ベース
５３  加圧板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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